有序与无序 Order Matters
年级:6年级 难度:📘📙📕 分类:排列与组合 年级入口:六年级 关联:排列计数 Counting Arrangements | 组合选取 Counting Selections | 乘法原理 Multiplication Principle
核心问题
做排列还是组合,取决于一个问题:顺序重要吗?
同样是”从 3 个人里挑 2 个”,选正副班长有 6 种结果,选两人去春游只有 3 种。人没变,问题问法变了,答案就差了一倍。计数题做错,多半不是乘错了,而是一开始就没判断清楚顺序算不算数。
一个小实验:A、B、C 里挑两人
先全部列出来,不用公式:
有序(第1个当班长,第2个当副班长):
AB BA
AC CA
BC CB → 共 6 种
无序(两人一起去春游):
{A,B} {A,C} {B,C} → 共 3 种
把有序的 6 种两两配对:AB 和 BA 在春游问题里是同一组人,于是 6 种”折叠”成 3 种。
这就是从排列走到组合的全部秘密:先当有序数,再除以重复。
判断框架
第一招:换位测试
把答案里的两个元素交换位置,得到的是新的结果,还是同一个结果?
- 交换后变成新结果 → 有序(排列)
- 交换后还是同一个结果 → 无序(组合)
例:从 1、2、3 里取两个数组成两位数,12 和 21 是两个不同的数 → 有序;取两个数相加,1+2 和 2+1 都是 3,是同一件事 → 无序。
第二招:关键词提示
问题出现以下关键词 → 往往有序:
站队、排成一排、编排顺序、第一名/第二名
组成几位数(123≠321)、正副职位、有方向的路线
问题出现以下关键词 → 往往无序:
选取、组成小组、委员会、握手次数
一组/一堆/一袋({1,2,3}={3,2,1})、没有名次之分
关键词只是提示,换位测试才是判据。“选出两人”也可能有序:选出两人分别当队长和旗手,交换后结果变了。
经典对比
| 题目 | 有序? | 小学算法 |
|---|---|---|
| 5人选班长和副班长 | ✓(职位不同) | |
| 5人选2人去春游 | ✗(身份相同) | |
| 3本书放书架 | ✓(位置不同) | |
| 3本书选2本带旅行 | ✗(只关心带哪些) | |
| 4人每两人互寄一张贺卡 | ✓(甲寄乙≠乙寄甲) | |
| 4人每两人握一次手 | ✗(甲握乙=乙握甲) | |
| 4位数字密码锁 | ✓(1234≠4321) |
贺卡和握手是一对最好的对照:同样 4 个人,互寄贺卡 12 张,握手只有 6 次,正好差一半,因为一次握手同时”属于”两个人。
从有序到无序:除以几?
选 2 个时除以 2,那选 3 个时呢?
从 5 人中选 3 人组成小组:
- 先当有序数:
- 同一组 3 人(比如 A、B、C)在有序计数里出现了几次?ABC、ACB、BAC、BCA、CAB、CBA,共 次
- 所以无序结果:
选几个,就除以”这几个人自己排队的方法数”。 选 2 个除以 ,选 3 个除以 ,选 4 个除以 。
逻辑分析(Logic Lens)
有序/无序的本质是等价类的划分:
- 有序:每一种顺序都算一个不同的结果
- 无序:规定”成员相同的排列算同一个结果”,把它们归成一类,每类只数一次
所以”除以重复”不是技巧,而是在数有多少类:总共 60 个有序结果,每类 6 个,自然是 10 类。只要每一类大小相同,除法就成立;一旦类的大小不一样(比如元素里有重复),就不能直接除,要回到枚举。
这种”把相同的东西归类”的思维,在数学和计算机科学中无处不在:分数约分( 是同一类)、集合去重、哈希查找都基于此。
易错陷阱
陷阱1:元素本身有重复 用数字 1、1、2 能组成几个三位数?如果当成 3 个不同数字,有 个;但两个 1 交换后数字不变,实际只有 112、121、211 三个。遇到相同元素,先枚举,别套公式。
陷阱2:一道题里有序无序混在一起 从 5 人中选正副组长各 1 人,再从剩下的人中选 2 人值日:
- 正副组长有序:
- 剩下 3 人选 2 人值日,无序:
- 合起来:
每一步单独做换位测试,不要整题只判断一次。
陷阱3:比赛场次 6 个队单循环赛(每两队赛一场),是 场;如果是主客场双循环,A 主场打 B 和 B 主场打 A 是两场,变成有序, 场。
例题精讲
例1(⭐)
红、黄、蓝三种颜色的旗子各一面,取两面挂在旗杆上(上下顺序不同表示不同信号),能表示几种信号?如果只是取两面送人,有几种取法?
挂旗杆:上下交换后信号变了 → 有序, 种。 送人:只关心送了哪两面 → 无序, 种。
例2(⭐⭐)
平面上有 6 个点,任意 3 点不在同一直线上。以这些点为端点能画多少条线段?能画多少条射线?
线段 AB 和 BA 是同一条 → 无序, 条。 射线 AB(从 A 出发经过 B)和射线 BA 方向相反,是两条 → 有序, 条。
例3(📙 希望杯 ⭐⭐⭐)
从 1、2、3、4、5 中任取 3 个不同的数,三个数之和是偶数的取法有几种?
“和”与顺序无关 → 无序。和为偶数有两种情况:
- 3 个都是偶数:偶数只有 2、4 两个,取不出 3 个,0 种
- 2 个奇数 + 1 个偶数:奇数 1、3、5 中取 2 个, 种;偶数 2、4 中取 1 个,2 种;共 种
答:6 种。(全部取法 种,可以列表验证。)
练习题
📘 课标
- 判断有序还是无序:(1) 3 个同学排成一排拍照;(2) 从 4 种水果里选 2 种做果盘;(3) 用 2、5、8 组成没有重复数字的两位数
- 4 个小朋友,每两人通一次电话,一共通几次?如果每两人互发一条消息,一共发几条?
📙 希望杯
- 从 7 名同学中选 3 人参加植树活动,有几种选法?如果 3 人分别负责挖坑、扶苗、浇水,又有几种选法?
- 一个圆周上有 8 个点,以其中 3 个点为顶点画三角形,可以画几个?
📕 华罗庚
- 用数字 1、1、2、2 能组成多少个不同的四位数?(提示:先确定两个 1 放在哪两个位置)
- 某班举行象棋比赛,每两人都要下一局,一共下了 45 局。这个班有多少人参赛?
节点关系
加法原理 / 乘法原理(计数的两条基本规则)
↓
有序与无序(先判断:顺序算不算数?)
↙ ↘
排列计数 组合选取
(有序,逐步相乘) (无序,相乘后除以重复)
↘ ↙
计数综合专题(两类混合、分步分类)